Модель сопряженного транспорта.

Активный транспорт натрия из клетки имеет компонент, сопряженный со входом калия в клетку. Преимущество такого насоса в том, что он экономит энергию - свойство важное для энергетического баланса клетки. В мышечной клетке в состоянии покоя 10-20 % метаболизма тратится на обеспечение активного транспорта.
У внутренней стороны мембраны натрий связывается с переносчиком Y, образуя молекулу Na-Y. Na-Y диффундирует через мембрану и спонтанно распадается у наружной ее стороны. Таким образом, концентрация Na+ у наружной стороны мала и выход Na-Y преобладает над входом.
Такое временное связывание с молекулой переносчика Y позволяет Na+ диффундировать наружу, против концентрационного и электрического градиентов. У наружной стороны мембраны молекула Y превращается в молекулу переносчика Х, которая связывается с К+ в наружном растворе. Возникающее в результате этого К-Х диффундирует через мембрану, распадаясь у ее внутренней стороны на К+ и Х. Внутри клетки используется метаболитическая энергия распада АТФ для преобразования молекулы Х вновь в молекулу Y. Это единственная эндотермическая реакция цикла; сопряженность Х и К+ экономит около половины той энергии, которая потребовалась бы для несопряженного транспорта Na+.
Подобно всем другим клеткам, нейрон способен поддерживать постоянство свой внутренней среды (гомеостаз), заметно отличающийся по составу от окружающей его жидкости. Особенно поразительно различие в концентрациях ионов натрия и калия. Наружная среда в 10 раз богаче натрием, чем внутренняя, а внутренняя среда в 20-100 раз богаче калием, чем наружная. Как калий, так и натрий способны проникать через поры в клеточной мембране, поэтому некоторый насос должен непрерывно производить обмен вошедших в клетку ионов натрия на ионы калия наружной среды. Такое выкачивание натрия осуществляется внутренним мембранным белком, называемым Na+-К+-насосом (Na+-насос).
Каждый натриевый насос может использовать энергию, запасенную в форме фосфатных связей АТФ, для того, чтобы обменять 3 иона натрия внутренней среды на 2 иона калия наружной среды. В покое внутренность аксона имеет отрицательный потенциал, приблизительно -70 мВ по отношению к наружной среде.

Потенциал действия.

Функция нервных клеток в организме состоит в получении информации, передаче ее в другие участки нервной системы, сравнение ее с информацией от других источников и, наконец, регуляции деятельности других клеток. Сигналы от нервов вызывают сокращение мышечных клеток. Когда эти два типа клеток “активны”, возникает быстрый сдвиг мембранного потенциала в положительном направлении - потенциал действия.
Потенциал действия можно зарегистрировать в нервных и мышечных клетках с помощью внутриклеточных электродов.
Потенциал резко нарастает от отрицательных значений потенциала покоя до положительного пика, около +30 мВ. Затем потенциал с различной скоростью возвращается к уровню покоя; длительность потенциала действия составляет около 1 мс в нервах, 10 мс в скелетной мышце и более 100 мс в миокарде.
Как показано на рис. 15, потенциал действия имеет несколько фаз. Потенциал действия начинается очень быстрым сдвигом в положительном направлении - фазой нарастания, которая продолжается лишь 0,2-0,5 мс. Во время фазы нарастания клеточная мембрана теряет свой нормальный заряд, или поляризацию; поэтому фазу нарастания называют, также, фазой деполяризации. Как правило, деполяризация переходит за нулевую линию, и мембранный потенциал становится положительным. Эта положительная фаза потенциала действия называется овершут. Фаза, следующая за пиком, в течение которой восстанавливается исходный потенциал мембраны в покое, называется реполяризацией. Последний участок фазы реполяризации для некоторых видов потенциала действия бывает замедлен. Примерно через 1 мс после начала потенциала действия наблюдается отчетливый перегиб кривой реполяризации; следующее за ним медленное изменение потенциала называется деполяризационным следовым потенциалом. Когда кривая деполяризации быстро пересекает уровень потенциала покоя, так что на некоторое время потенциал становится более отрицательным, чем потенциал покоя, такое явление называется гиперполяризационным следовым потенциалом.

Механизмы потенциала действия.

Потенциал действия (ПД) возникает в результате внезапного кратковременного повышения проницаемости мембраны для натрия и входа натрия в аксон. Потенциалы действия всегда возникают при деполяризации мембраны примерно до -50 мВ. Механизмы развития этой начальной деполяризации будут рассмотрены позднее. Уровень потенциала, при котором деполяризация дает начало потенциалу действия, называется порогом. При таком пороговом потенциале заряд мембраны становится нестабильным; он нарушается посредством внутреннего механизма, который ведет к реверсии полярности - быстрому нарастанию действия до пика. Это состояние автоматического прогрессирующего нарушения мембранного заряда называется возбуждением. Обычно возбуждение продолжается менее 1 мс. Оно подобно взрыву - характеризуется мощностью и быстрым прекращением. После фазы деполяризации наступает процесс восстановления заряда мембраны, присущего состоянию покоя. На пике потенциала действия проницаемость для натрия начинает падать, происходит блокировка - инактивация натриевых каналов, и примерно, через 0,5 мс после начала деполяризации повышается проницаемость для калия и калий выходит из аксона. По мере выхода калия положительный заряд с внутренней стороны меняется на отрицательный - это фаза реполяризации мембраны, представлена нисходящей областью пика ПД, приводит к восстановлению исходного мембранного потенциала. Таким образом, потенциал покоя определяется ионами калия, а потенциал действия зависит от ионов натрия.

 

Закон “всё или ничего”.

Потенциал действия представляет собой последовательную деполяризацию и реполяризацию мембраны - постоянный для каждой клетки ауторегенеративный процесс, который включается, как только уровень деполяризации мембраны перейдет за пороговый потенциал. Клетки, в которых можно вызвать потенциалы действия, называются возбудимыми. Каждый тип клеток имеет постоянный и характерный для данного типа временной ход потенциала действия. Он практически не зависит от частоты возбуждения клетки. Поскольку форма потенциалов постоянная, говорят, что возбуждение протекает по закону “все или ничего”.

Ионные токи во время ПД.

Потенциал покоя (ПП) близок к уровню разновесного потенциала для ионов калия, для которых мембрана в состоянии покоя проницаема. Если во время ПД внутренняя среда клетки становится заряженной положительно по отношению к внешнеклеточному пространству, проводимость мембраны для Na+ должна возрастать, что подтверждается экспериментально. ПД можно генерировать только при высокой концентрации натрия вне клетки. Таким образом, в основе процесса возбуждения лежит повышение проводимости мембраны для натрия, вызываемое ее деполяризацией до порогового уровня. Однако проводимость калия тоже играет роль. Повышение проводимости калия является важным фактором реполяризации мембран. Итак, ПД обусловлен циклическим процессом входа натрия в клетку и последующим выходом калия. Классические опыты, выполненные в 40-50-ых годах нашего столетия английскими учеными Ходжкиным и Хаксли на гигантском волокне аксона кальмара, определили механизм проведения электрического импульса. Длина аксона (до 1 метра) и его диаметр (до 1 мм) идеально подходили для таких опытов. Два электрода - раздражающий, по которому можно было дозировать электрическое раздражение и отводящий, позволили регистрировать все мембранные токи при каждом воздействии. Решающим моментом стало понимание того, что проницаемость мембраны для натрия и калия изменяется при изменении мембранного потенциала. Были подробно изучены механизмы открытия и закрытия этих каналов при изменении МП, показано, что ПД есть прямое следствие этих закономерностей.
ПД возникает, когда мембрана деполяризуется до уровня превышающего определенный порог. В результате такой деполяризации мембраны, здесь открываются потенциал-зависимые Na+-каналы, что вызывает ток ионов натрия вниз по их электрохимическому градиенту. Следствием этого становится дальнейшая деполяризация мембраны, в результате чего открывается еще больше Na+-каналов и т. д. Эта цепная реакция идет до тех пор, пока потенциал на этом участке мембраны не приблизится к Na+-равновесному потенциалу (60 мВ). На этом этапе происходят два события, которые возвращают потенциал мембраны к исходному уровню: Na+-каналы закрываются, т.е. переходят в инактивированное состояние, а потенциал зависимые К+- каналы открываются.
К+-каналы реагируют на изменение мембранного потенциала, почти как Na+-каналы, но медленнее, поэтому их называет медленными К+-каналами. Открытие К+-каналов, приводит к возрастанию тока К+, который перекрывает входящий Na+-ток, и МП возвращается к исходному уровню, уровню равновесного К+-потенциала.
В результате реполяризации потенциал-зависимые К+-каналы вновь закрываются, а инактивированные Na+-каналы переходят в первоначально закрытое, но способное к активации состояние.

Рефрактерные периоды.

Важным следствием инактивации Na+-системы является возможность рефрактерности мембраны. Если мембрана деполяризуется сразу после ПД, возбуждение не возникает ни при значении потенциала, соответствующего порогу для предыдущего ПД, ни при любой более сильной деполяризации. Такое состояние полной невозбудимости, которое в нервных клетках продолжается около 1 мс называется абсолютным рефрактерным периодом. За ним следует относительный рефрактерный период, когда путем значительной деполяризации можно вызвать ПД, хотя его амплитуда снижена по сравнению с нормой. ПД нормальной амплитуды при нормальной пороговой стимуляции можно вызвать только через несколько миллисекунд после предыдущего ПД. Возвращение к нормальной ситуации соответствует окончанию относительного рефрактерного периода. Рефрактерность обусловлена инактивацией Na+-системы во время предшествующего ПД. Хотя при реполяризации мембраны состояние инактивации проходит, такое восстановление представляет собой постепенный процесс, идущий в течение нескольких миллисекунд, в течение которых Na+-система еще не способна активизироваться или же активизируется до определенного предела.
Абсолютный рефрактерный период ограничивает максимальную частоту генерации ПД. Абсолютный рефрактерный период завершается через 2 мсек после начала ПД. Клетка может возбуждаться с максимальной частотой 500/сек. Существуют клетки с еще более коротким рефрактерным периодом, в которых возбуждение может в крайних случаях повторяться с частотой 1000/сек. Однако, большинство клеток имеет максимальную частоту ПД ниже 500/сек.

Характеристика канальных молекул.

Распространение нервного импульса определяется присутствием в мембране нейрона энергетически управляемых Na+-каналов, открывание и закрывание которых ответственно за ПД. Хотя с химической точки зрения Na+-канал еще не достаточно изучен, известно, что он является белком с молекулярным весом от 25000 до 300000. Диаметр поры этого канала составляет 0,4-0,6 нм; через такую пору могут проходить ионы Na+, связанные с молекулами воды. На поверхности канала имеется много заряженных групп, размещенных в критических точках. Эти заряды обусловливают наличие большого электрического дипольного момента, который меняется по направлению и величине в соответствии с конформационными изменениями канала, сопровождающими переход из закрытого состояния в открытое.
Поскольку поверхность мембраны клетки очень тонка, трансмембранная разность потенциалов в 70 мВ создает внутри мембраны сильное электрическое поле порядка 100 кВ/см. Подобно тому, как магнитные диполи имеют тенденцию ориентироваться вдоль силовых линий магнитного поля, электрические диполи белка натриевого канала стремятся встать параллельно линиям электрического поля мембраны. Изменения напряженности электрического поля могут переводить канал из закрытого состояния в открытое. По мере того, как под влиянием входящих ионов Na+ внутренняя поверхность мембраны становится более положительной, Na+-каналы все дольше находятся в открытом состоянии. Процесс открывания Na+-каналов под влиянием изменения потенциала мембраны называют активацией Na+-каналов. Этот процесс останавливается благодаря развитию другого процесса, названного Na+-инактивацией. Трансмембранная разность потенциалов, явившаяся причиной открывания Na+-каналов, затем переводит их в особое закрытое конформационное состояние, отличное от состояния, характерного для канала в покое. Второе закрытое состояние, вызванное состоянием инактивации, развивается медленнее, чем процесс активации, они остаются короткое время открытыми. В состоянии инактивации каналы пребывают несколько миллисекунд, а затем возвращаются в нормальное состояние покоя.
Стенки Na+-канала несут отрицательный заряд, который отталкивает анионы и облегчает проход Na+. Вход в Na+-канал - селективный фильтр, проницаемый только для ионов Na+.
Внутри Na+-канала находится воротный механизм, контролируемый потенциалом - заряженный сенсор в липидной фазе мембраны. При деполяризации, заряды смещаются, что вызывает изменение молекулярной конформации сенсора, что открывает проход через канал для ионов Na+. Пора открывается только на короткое время, поскольку через 1 мс наступает инактивация натриевых каналов. Не ясно, закрывается ли пора тем же воротным механизмом, или работает особая инактивационная пробка. Аналогично работает и Na+-насос.
Электрически управляемые каналы - электрогенные насосы, есть еще химически управляемые каналы, например, синапсы.